鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固RC梁抗剪試驗研究

摘要：通過對2根對比梁和4根加固的鋼筋混凝土梁的抗剪試驗，研究不同剪跨比和不同受力方式下的RC梁采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固后的抗剪性能。主要分析了各組對比梁及加固試驗梁的破壞形態，斜裂縫、撓度、應變的變化規律。依據實驗結果，提出了鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固RC 梁的抗剪承載力計算公式， 計算結果與試驗結果吻合較好，可為實際加固工程設計提供理論參考。

關鍵詞：鋼纖維水泥砂漿；鋼筋混凝土梁；抗剪；加固

中圖分類號：TU375.1 文獻標識碼：A

Shear behavior of RC beams strengthened by steel fiber ferrocement mortar

BU Liang-tao，Li#8224;， Wei，Zeng Jian

(Civil Engineering College，Hunan University，Changsha，Hunan410082，China )

Abstract: Experimental research on shear test behavior of the different shear -span ratio and different stress modes is carried out through experimental researches of two general beams and four RC beams strengthened with steel fiber ferrocement mortar. Regulation for change of mode of failure， diagonal cracks， deflection and strain have been analyzed in the experiment. According to the test results， the computational formula of the shear load capacity of RC beams strengthened with the steel fiber ferrocement mortar is established. The calculated results fit well with the experimental results， to provide a theoretical reference for actual engineering designs.

Key words: steel fiber ferrocement mortar; reinforced concrete beams; shear behavior;strengthening

隨著我國對基礎設施建設的不斷投入和房地產市場的持續發展，各類構筑物、建筑物越來越多，建筑結構加固已經成為建筑行業中越來越重要的一個分支，因而對建筑結構加固材料、加固方法以及施工工藝的研究也日益凸現出其重要意義。鋼纖維水泥砂漿加固法是在混凝土構件表面綁扎鋼筋網，用鋼纖維水泥砂漿作為保護和錨固材料，使其共同工作，以提高結構承載力的一種加固方法。水泥砂漿鋼筋網加固法在國外已經有較為廣泛的應用[1]。采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固混凝土結構比其他加固方法更具有優勢。鋼纖維水泥砂漿是無機膠凝材料，與混凝土的材性十分接近，有很好的協調性和滲透性，另外有很好的耐火性能、耐腐蝕性能及耐久性能，且適用面廣，基本不增加原結構構件的質量和截面尺寸。國內外學者[2]~[5]在這一加固領域開展了廣泛的試驗研究與理論探索。

為了使鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固法能在土木工程領域有更廣泛的應用，在國內外學者研究的基礎上，本文進一步研究了鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固法的抗剪性能，取得了一批有價值的成果。

引言部分.

1試驗方案

1.1試驗梁設計

本次試驗共制作了6根試件，其中B1、B2為不加固的試驗對比梁，B3、B5為一次受力的試驗梁，B4、B6為二次受力的試驗梁。試驗梁截面尺寸為150mm×300mm，跨度為3200mm，兩端外伸長度為100mm，凈跨為3000mm，混凝土強度設計值為C30，梁底鋼筋為4 22，梁頂鋼筋為2 20，箍筋為 6@150，試驗梁模板配筋圖及加固方式如圖1所示。

鋼纖維水泥砂漿的組成為p.o.42.5普通硅酸鹽水泥、中砂、鋼纖維和水，配合比為水泥：砂：水為1：1.9：0.45，配合比參見文獻[6]，試驗梁基本參數如表1所示。試驗梁加固方法為加固箍筋在集中力最大的區域四面加固，加固長度為支座至集中力處并向遠端支座延長200mm，非集中力處采用三面加固。加固鋼筋梁側為 6@100×100，梁底為4 6，四面加固區域梁頂鋼筋為3 6。

Fig.1 Geometric Details， Strengthening; Configuation of(mm)

Table 1Detail of Test Beam

試件

注：fcu表示原梁混凝土立方體抗壓強度(N/mm2)；fyv表示原梁箍筋實測屈服強度(N/mm2)；fm表示鋼纖維砂漿立方體抗壓強度(N/mm2)；fsm表示加固鋼筋實測屈服強度(N/mm2)。

1.2加載方案與測試內容

本次試驗采用的加載裝置為杠桿，加載砝碼為混凝土試塊，杠桿放大系數為5.2倍，試驗時將混凝土試塊放入吊籃中。試驗采用分級加載，對比梁直接分級加載至構件屈服破壞；二次受力試驗梁首先加載至預定比例，在保持荷載不變的情況下對原梁進行加固及養護，然后進行二次加載直至加固梁屈服破壞。

試驗過程中通過靜態電阻應變儀量測原梁鋼筋、原梁箍筋、加固鋼筋網、混凝土和加固砂漿的應變值；使用百分表量測每級荷載下的集中力作用點、跨中及支座撓度；使用裂縫刻度放大鏡觀察裂縫的出現及發展情況，裂縫垂直高度以及裂縫最大寬度值。

2試驗結果及分析

2.1試驗結果

試驗梁根據剪跨比的不同分為兩組，試驗梁B1、B3和B4剪跨比為1.6，試驗梁B2、B5和B6剪跨比為2.0。所有試驗梁均加載到承載力極限狀態，試驗結果如表2所示，由表可知，與對比梁相比，加固梁的開裂荷載和抗剪承載力均有不同程度的提高，一次受力試驗梁的開裂荷載提高的幅度最小為28.86%，最大為29.20%，抗剪承載力提高幅度最小為45.50%，最大為52.48%；二次受力試驗梁抗剪承載力提高幅度最小為39.81%，最大為47.00%。由以上試驗數據可以看出，抗剪承載力的提高幅度和剪跨比有關，剪跨比越大的構件抗剪承載力提高幅度越大。

注：Pcr1表示開裂荷載試驗值；Pu表示極限荷載的試驗值；△Py 表示開裂荷載實驗值之差；△Pu 表示極限荷載的試驗值之差。

2.2典型破壞形態

對比試驗梁B1是典型的鋼筋混凝土梁斜壓破壞，破壞形態如所示。首先在靠近近端支座截面的構件腹部出現若干條大體平行的斜裂縫，方向與集中力作用點和支座的連線近似平行，斜裂縫向兩端進一步發展，試驗梁腹部被分割成幾個傾斜的柱體，隨著荷載的進一步增加，試驗梁腹部的混凝土因主壓應力的作用而破壞。試件B1、B3、B4均為斜壓破壞。破壞形態如（a）所示。

二次受力試驗梁B6是典型的鋼筋混凝土梁剪壓破壞。加載過程中首先出現受拉裂縫，裂縫自梁底出現，自下而上延伸。繼續加載梁腹中部出現幾條微細的斜裂縫，斜裂縫最大寬度為0.06mm。當荷載增大到一定程度時，剪跨段內某個受彎裂縫沿向上發展的方向首先發生傾斜，并轉化為彎剪裂縫，裂縫繼續延伸，形成臨界斜裂縫，斜裂縫繼續發展，直到斜裂縫頂端的混凝土在剪應力和壓應力共同作用下被壓碎而破壞。試件B2、B5、B6均為剪壓破壞。（a）實驗梁斜壓破壞的典型破壞形態1

（b）實驗梁剪壓破壞的典型破壞形態2

Fig2Model damage Mode of Specimens

2.3斜裂縫分析

試驗過程中描繪了試件受力后裂縫的開展情況，從試驗可以看出，進行抗剪加固后，斜裂縫寬度及裂縫間距變小，數量增多，開裂荷載大于相應的對比梁，說明鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固使構件具有良好的抗裂性能，具有良好的使用性能。從裂縫的開展情況可知，相同荷載水平下，加固梁的裂縫寬度一般小于對比梁，加固層很好的限制了斜裂縫的發展。在相同的裂縫寬度下，試驗梁承受的剪力值由大到小依次為：二次受力試驗梁、一次受力試驗梁、對比梁。荷載增加到一定水平，原梁箍筋和加固箍筋屈服后，斜裂縫的開展速度變大。

2.4撓度分析

試驗中測取了試件的荷載-撓度變化關系曲線，試驗結果如圖3所示，由試驗可以發現，加固構件的截面剛度得到了不同程度的提高，加固梁在破壞時延性有一定的改善。

第一組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3（a）所示，第二組試驗梁的荷載-撓度曲線如圖3（b）所示。從圖中可以看出，在相同荷載作用下，加固梁的撓度相對于對比梁有所減小，曲線的斜率有所增大，因此試驗梁的截面剛度得到了提高。二次受力試驗梁在一次受力階段的曲線斜率和對比梁基本吻合，二次受力開始階段，加固梁的曲線斜率明顯增大。一次受力試驗梁進行了加固，因此在受力的開始階段剛度就較對比梁和二次受力試驗梁的剛度大，相同荷載作用下撓度偏小，而在加載后期的剛度與二次受力試驗梁接近。加固梁的最大撓度均大于相應對比梁，說明與對比梁相比，加固梁破壞時延性有一定程度的提高，但與受彎破壞相比，受剪破壞呈現明顯的脆性破壞特征。這是由于鋼纖維水泥砂漿延緩了斜裂縫的開展，構件的剛度得到了提高。

（a）第一組試驗梁撓度的比較

（b）第二組試驗梁撓度的比較

2.5應變分析

根據試驗的箍筋應變數據，對斜裂縫與箍筋相交處的應力狀態進行初步分析。試驗測得的荷載-箍筋應變曲線如圖4所示。

對比梁試驗結果如圖4（a）所示，從圖中可以看出，在斜裂縫未形成前，箍筋應變幾乎為零，當構件有斜裂縫產生時，箍筋的應力值會發生突變。說明試驗梁開裂前，構件所承受的荷載基本由混凝土承擔，當斜裂縫穿過箍筋后，箍筋開始承擔荷載。

一次受力試驗梁荷載-箍筋應變曲線如圖4（b）所示。一次受力試驗梁，原梁箍筋與加固箍筋的應變曲線變化趨勢基本一致，加固箍筋參與了原構件的受力，分擔了部分荷載，說明加固效果良好，加固箍筋和原構件能很好的共同工作。

二次受力試驗梁荷載-箍筋應變曲線如圖4（c）所示。在受力開始階段，加固箍筋的荷載-箍筋應變曲線與原梁箍筋基本吻合。構件出現斜裂縫后，加固箍筋的應變增長略微晚于原梁箍筋，因為二次受力加固梁在加固時已有一定應力水平，后加固部分的應力水平相對于被加固部分存在滯后現象，加載后期曲線變化趨于一致，有良好的協同工作能力。

（a）對比梁箍筋的應變

（b）一次受力試驗梁箍筋的應變

（c）二次受力試驗梁箍筋的應變

Fig.4Load-Stirrup Strain Curves of Beams

加固箍筋從以下幾方面提高了梁的抗剪承載力：穿過裂縫的加固箍筋承受部分剪力；加固箍筋限制了斜裂縫的發展，使得更多的未開裂混凝土承擔壓應力；加固箍筋的約束作用限制了斜裂縫在彈性范圍內的張開程度，使得由骨料咬合力作用傳遞的剪力得以維持和增強。

3加固梁承載力計算公式

加固梁的破壞形態與普通鋼筋混凝土梁相似，可以用靜力平衡法分析其抗剪承載力，采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固時，鋼筋網的作用機理可以認為和箍筋相同。加固砂漿層、加固箍筋和加固水平腹筋對加固梁的抗剪承載力均有貢獻。為簡化計算，加固箍筋和加固水平腹筋的作用合為一項。

根據平衡條件，加固梁抗剪承載力計算公式為

（1）

式中：Vu為原梁的抗剪承載力[7]；Vsm為加固鋼筋網的抗剪承載力; Vf為鋼纖維水泥砂漿的抗剪承載力。

3.1二次受力影響系數

二次受力試驗梁在加固前已加載，且加固時維持荷載不變，原梁箍筋和混凝土的初始應力在加固后保持不變，甚至因荷載的長期作用而有所增大，加固箍筋的應力水平相對于原箍筋存在滯后現象，二次受力試驗梁的加固箍筋與一次受力試驗梁的應力水平存在一定的差異。由表2試驗數據可知，二次受力試驗梁的抗剪承載力低于一次受力試驗梁。

通過以上分析，結合試驗數據，提出二次受力的影響系數計算公式為

（2）

式中：V0為一次受力時構件承受的剪力；Vu為原梁的抗剪承載力。

3.2加固鋼筋項的計算公式

通常計算中不考慮水平加固鋼筋的作用，為了使工程實際中承載力的計算更為簡單，只考慮加固箍筋項的承載力，加固鋼筋的抗剪承載力記為Vsm，則加固鋼筋計算公式見下：

（3）

式中： sm為加固鋼筋網的間距；fsm為加固鋼筋的屈服強度；λ0為廣義剪跨比；Asm為同一截面上各肢加固鋼筋的面積；h0m為加固后截面有效高度，h0m=h0+t。

3.3 鋼纖維水泥砂漿項的計算公式

鋼纖維水泥砂漿在抵抗剪力作用時，有一定作用，為保持計算方法和現行規范保持一致，使公式的應用較為簡便，參考《混凝土結構設計規范》GB 50010提出高性能復合砂漿層作用的計算公式為

（4）

式中：λ為剪跨比[8]；t為加固層厚度；ftm為鋼纖維水泥砂漿抗拉強度。

3.4 計算值與試驗值比較

計算值和試驗值及其比較結果見表3。從表中可知加固梁抗剪承載力計算值與試驗值吻合較好。

注：表中為加固鋼筋網的抗剪承載力; 為鋼纖維水泥砂漿的抗剪承載力；為加固梁抗剪承載力計算值； 為加固梁抗剪承載力試驗值。

4結 論

1）采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固RC梁，可以在一定程度上提高構件的抗剪極限承載力；

2）采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固構件，加固梁斜裂縫的發展要滯后于相應的對比梁，相對于對比梁，加固梁的斜裂縫呈現出“細而密”的特點；

3）采用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網加固RC梁，可在一定程度上提高構件的延性；

4）利用鋼纖維水泥砂漿鋼筋網對RC梁進行抗剪加固，加固箍筋和原箍筋的應變增長能基本保持一致，說明加固箍筋和原構件協同受力的性能較好。

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